The intervertebral disc is composed of concentrically arranged components: annulus fibrosus, the transition zone, and central nucleus pulposus. The major disc cell type differs in various parts of the intervertebral disc. In annulus fibrosus a spindle shaped fibroblast-like cell mainly dominates, whereas in central nucleus pulposus the more rounded chondrocyte-like disc cell is the major cell type. At birth the intervertebral disc is well vascularized, but during childhood and adolescence blood vessels become smaller and less numerous. The adult intervertebral disc is avascular and is nourished via the cartilage endplates. On the other hand, degenerated and prolapsed intervertebral discs are again vascularized, and show many changes compared to normal discs, including: nerve ingrowth, change in collagen turnover, and change in water content. Furthermore, the prolapsed intervertebral disc tissue has a tendency to decrease in size over time. Growth factors are polypeptides which regulate cell growth, extracellular matrix protease activity, and vascularization. Oncoproteins c-Fos and c-Jun heterodimerize, forming the AP-1 transcription factor which is expressed in activated cells.
In this thesis the differences of growth factor expression in normal intervertebral disc, the degenerated intervertebral disc and herniated intervertebral disc were analyzed. Growth factors of particular interest were basic fibroblast growth factor (bFGF or FGF-2), platelet-derived growth factor (PDGF), vascular endothelial growth factor (VEGF), and transforming growth factor beta (TGFβ). Cell activation was visualized by the expression of the AP-1 transcription promoters c-Fos and c-Jun. The expression was shown with either mono- or polyclonal antibodies by indirect avidin-biotin-peroxidase immunohistochemical staining method. The normal control material was collected from a tissue bank of five organ donors. The degenerated disc material was from twelve patients operated on for painful degenerative disc disease, and herniated disc tissue material was obtained from 115 patients operated on for sciatica. Normal control discs showed only TGFβ immunopositivity. All other factors studied were immunonegative in the control material. Prolapsed disc material was immunopositive for all factors studied, and this positivity was located either in the disc cells or in blood vessels. Furthermore, neovascularization was noted. Disc cell immunoreaction was shown in chondrocyte-like disc cells or in fibroblast-like disc cells, the former being expressed especially in conglomerates (clusters of disc cells). TGFβ receptor induction was prominent in prolapsed intervertebral disc tissue. In degenerated disc material, the expression of growth factors was analyzed in greater detail in various parts of the disc: nucleus pulposus, anterior annulus fibrosus and posterior annulus fibrosus. PDGF did not show any immunoreactivity, whereas all other studied growth factors were localized either in chondrocyte-like disc cells, often forming clusters, in fibroblast-like disc cells, or in small capillaries. Many of the studied degenerated discs showed tears in the posterior region of annulus fibrosus, but expression of immunopositive growth factors was detected throughout the entire disc. Furthermore, there was a difference in immunopositive cell types for different growth factors. The main conclusion of the thesis, supported by all substudies, is the occurrence of growth factors in disc cells. They may be actively participating in a network regulating disc cell growth, proliferation, extracellular matrix turnover, and neovascularization. Chondrocyte-like disc cells, in particular, expressed growth factors and oncoproteins, highlighting the importance of this cell type in the basic pathophysiologic events involved in disc degeneration and disc rearrangement.
The thesis proposes a hypothesis for cellular remodelling in intervertebral disc tissue. In summary, the model presents an activation pattern of different growth factors at different intervertebral disc stages, mechanisms leading to neovascularization of the intervertebral disc in pathological conditions, and alteration of disc cell shape, especially in annulus fibrosus. Chondrocyte-like disc cells become more numerous, and these cells are capable of forming clusters, which appear to be regionally active within the disc. The alteration of the phenotype of disc cells expressing growth factors from fibroblast-like disc cells to chondrocyte-like cells in annulus fibrosus, and the numerous expression of growth factor expressing disc cells in nucleus pulposus, may be a key element both during pathological degeneration of the intervertebral disc, and during the healing process after trauma.Nikamavälilevykudos koostuu geelimäisestä ytimestä (nucleus pulpousus) ja tämän ympärille rengasmaisesti rakentuvasta annulus fibrosuksesta. Nikamavälilevykudossolu on erilainen eri osissa välilevykudosta: ulommassa vyöhykkeessä solu muistuttaa sidekudossolua ja geelimäisessä sisävyöhykkeessä solutyyppi on enemmänkin rustosolumainen.
Sikiönkehityksen aikana ja syntymän jälkeen nikamavälilevykudos on verisuonitettua. Kasvun aikana verisuonitus vähenee ja häviää kokonaan aikuisikään tultaessa. Aikuisiässä nikamavälilevykudoksen ravinnonsaanti tapahtuu päätelevyjen kautta. Toisaalta nikamavälilevykudoksen degeneroituessa (rappeutuessa) kudokseen ilmaantuu jälleen uusia verisuonia ja uudissuonten muodostumista havaitaan nikamavälilevytilasta ulospullahtaneessa (prolaboituneessa) nikamavälilevykudoksessa. Prolaboituneella nikamavälikudosmassalla on todettu selkeä taipumus spontaaniin pienenemiseen ajan kuluessa.
Kasvutekijät ovat proteiinirakenteisia tekijöitä, jotka säätelevät solun kasvua, verisuonitusta ja solunulkoisen tukirakenteen entsyymiaktiviteettia. Onkoproteiinit c-Fos ja c-Jun muodostavat proteiinirakenteen, joka tarvitaan tumaan solun transkription käynnistämiseen.
Tässä väitöskirjassa tutkittiin kasvutekijöiden ilmentymistä nikamavälilevykudoksessa; normaalissa kudoksessa, rappeutuneessa kudoksessa ja ulospullahtaneessa kudoksessa. Erityisen mielenkiinnon kohteena olivat kasvutekijät FGF-2 (fibroblastikasvutekijä 2), PDGF ( verihiutalekasvutekijä), VEGF (verisuonen endoteelikasvutekijä) ja TGF-beta (transformoiva kasvutekijä beta). Soluaktivaatiota osoitti mahdollinen onkoproteiinien c-Fos ja c-Jun esiintyminen. Kasvutekijät ja onkoproteiinit osoitettiin immunohistokemiallisesti joko polyklonaalisten tai monoklonaalisten vasta-aineiden avulla. Normaali kontrolli välilevykudosmateriaali oli saatu viideltä elinluovuttajalta. Prolaboituneet nikamavälilevykudosnäytteet oli saatu 115 iskiasvaivan vuoksi leikatulta potilaalta ja degeneroituneet näytteet 12 kivuliaan degeneraatio-ongelman vuoksi leikatulta potilaalta.
Normaalissa nikamavälilevykudoksessa esiintyi ainostaan TGF beta -kasvutekijää. Prolaboituneissa näytteissä esiintyi kaikkia tekijöitä, joko nikamavälilevykudossolussa tai verisuonissa. Uudissuonitusta osoitettiin. Soluihin paikantuva immunoreaktio oli joko sidekudostyyppisissä soluissa tai rustosolutyyppisissä soluissa. Jälkimmäiset muodostivat usein soluryhmiä. Yksi erityishavainto oli TGF-beta kasvutekijän reseptorin ilmentymisen selkeä lisääntyminen prolaboituneissa näytteissä verrattuna normaaliin kontrollikudokseen. Degeneroituneissä nikamavälilevynäytteissä oli mahdollista tutkia tarkemmin eri tekijöiden esiintymistä nikamavälilevykudoksen eri osissa. PDGF ei pystytty osoittamaan degeneroituneista näytteistä, muut tutkitut kasvutekijät olivat immunopositiivisia. Monissa degeneroituneissa näytteissä todettiin repeämiä nikamavälilevykudoksen takaosassa. Immunopositiivisuus kasvutekijöille todettiin kuitenkin koko nikamavälilevykudoksen alueella. Eri solutyypeissä kasvutekijäilmentymä vaihteli eri osissa välilevykudosta.
Päähavaintona väitöskirjassa osoitettiin tutkittujen kasvutekijöiden esiintyminen erityisesti nikamavälilevykudossoluissa. Erityisesti esille nousi rustosolutyyppinen solu muodostaen myös ryhmiä. On todennäköistä, että kasvutekijät säätelevät nikamavälilevykudoksessa solujen kasvua, proliferaatiota, solunulkoisen väliaineen ylläpitoa ja uudisverisuonitusta.
Väitöskirja esittää lopuksi hypoteesin nikamavälilevykudossolun mukautumiselle. Tätä mukautumista tapahtuu erityisesti kudoksen ulkokerroksissa (annulus fibrosus), jossa normaalin kudostyypin sidekudossolutyyppinen solu muuntuu rustosolutyyppiseksi soluksi muodosten myös aktivaatiokeskuksia. Tämä solutyypin muuntuminen saattaa olla keskeinen prosessi, joka mahdollistaa muutokset nikamavälilevykudoksessa: uudissuonituksen, rappeutumisprosessin ja trauman paranemisprosessin prolaboitumisen jälkeen
